第十章-第3节-热力学第一定律-能量守恒定律

1．热力学第一定律：一个热力学系统的

内能增量等于外界向它传递的热量与

外界对它所做的功的和。2．热力学第一定律的表达式ΔU＝Q＋W。3．能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。[自学教材]1．改变内能的两种方式

和

。

2．热力学第一定律

(1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的

与外界对它所

的和。

(2)数学表达式：ΔU＝

。做功热传递热量做的功Q＋W[重点诠释]1．对热力学第一定律的理解热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。

2．公式ΔU＝Q＋W中符号的规定符号WQΔU＋外界对物体做功物体吸收热量内能增加－物体对外界做功物体放出热量内能减少3．几种特殊情况

(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。

(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。

(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量。1．某气体初态时有100J内能，膨胀过程中对外做功30J，同时吸收了20J的热量，在这个过程中内能________(填“增加”或“减少”)________J。解析：由热力学第一定律ΔU＝U2－U1＝W＋Q，结合符号法则及其物理意义有W＝－30J，Q＝20J，故ΔU＝U2－U1＝－10J，因而内能减少了10J。答案：减少10[自学教材]

1．能量守恒定律

(1)内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式

为另一种形式，或者从一个物体

到别的物体，在转化或转移的过程中

保持不变。能量的总量转化转移(2)意义：①各种形式的能可以

。②各种物理现象可以用

联系在一起。2．永动机不可能制成(1)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地

的机器。(2)不可制成的原因：违背了

定律。相互转化能量守恒定律对外做功能量守恒[重点诠释](1)自然界中能量的存在形式：物体运动具有动能、分子运动具有分子动能、电荷具有电能、原子内部的运动具有原子能等。可见，在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应。

(2)不同形式的能量之间可以相互转化，且这一转化过程是通过做功来完成的。(3)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。

(4)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。2．下列对能量的转化和守恒定律的认识不正确的是(

)A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式能量的增加B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的D．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了解析：A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的。B选项是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中是守恒的。这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移。任何第一类永动机都是不可能制成的，它违背了能量守恒定律。所以A、B、C正确。D选项中石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能可能减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不会创生，也不会消失，只是从一种形式转化为另一种形式。故D是错的。答案：D[例1]

一定量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量，内能增加了4.2×105J。

(1)是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？

(2)如果气体吸收的热量仍为2.6×105J不变，但是内能增加了1.6×105J，计算结果W＝－1.0×105J，是负值，怎样解释这个结果？

(3)在热力学第一定律ΔU＝Q＋W中，W、Q和ΔU的正值、负值各代表什么物理意义？[思路点拨]做功和热传递是改变内能的两种方式，但二者不是孤立的，往往同时发生，遵从热力学第一定律，应用时注意“正、负”号的意义。

[解析]

(1)由热力学第一定律：如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么，外界对物体所做功W加上物体从外界吸收的热量Q等于物体内能的增加ΔU，即ΔU＝W＋Q。将Q＝2.6×105J，ΔU＝4.2×105J代入上式得：

W＝ΔU－Q＝4.2×105J－2.6×105J＝1.6×105J。

W＞0，说明外界对气体做了1.6×105J的功。(2)如果吸收的热量Q＝2.6×105J，内能ΔU增加了1.6×105J，计算结果为W＝－1.0×105J，说明气体对外界做功。

(3)在公式ΔU＝Q＋W中，ΔU＞0，物体内能增加；ΔU

＜0，物体内能减少。Q

＞0，物体吸热；Q＜0，物体放热。W＞0，外界对物体做功；W＜0，物体对外界做功。

[答案]

(1)外界对气体做了1.6×105J的功。

(2)说明气体对外界做功。

(3)见解析1．一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的

功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式中正确的是 (

)A．W＝8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝4×104JB．W＝8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－2×105JC．W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝2×104JD．W＝－8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－4×104J解析：因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104J；内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105J－8×104J＝－2×105J，即B选项正确。答案：B[例2]

如图10－3－1所示，一个质量为20kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为50cm，现在在活塞上方加一15kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40cm。求在这一过程中气体的内能增加多少？(g取10m/s2，不考虑活塞的大气压力及摩擦阻力)图10－3－1[解析]由能量的转化与守恒定律可知，内能的增加等于活塞和物体重力势能的减少，

ΔU＝ΔE＝(M＋m)gh＝(15＋5)×10×(50－40)×10－2J＝20J。

[答案]

20J[借题发挥](1)绝热过程表示不吸热、也不放热；“导热性能良好且过程缓慢”表示过程有热传递发生且及时充分，保持温度不变。

(2)用“能量守恒”观点解题方便、快捷。2.如图10－3－2所示容器中，A、B各有一个

可自由移动的轻活塞，活塞下是水，上为

空气，大气压恒定。A、B底部由带有阀门

K的管道相连，整个装置与外界绝热。原先

A中水面比B中高，打开阀门，使A中的水逐

渐向B中流，最后达到平衡。